CMOS电荷泵的电路设计

CMOS电路特性与参数CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补式金属氧化物半导体）是一种常见的集成电路技术。

它由一对互补的MOSFET （金属氧化物半导体场效应晶体管）构成，具有高集成度、低功耗和高噪声抑制等优点。

在本文中，我们将探讨CMOS电路的特性和参数。

一、CMOS电路的基本特性CMOS电路采用了互补的nMOS和pMOS晶体管，使得在非导通状态下电流基本为零，从而实现了极低的静态功耗。

此外，由于nMOS和pMOS晶体管的互补作用，CMOS电路还具有较高的抗噪声性能和较宽的工作电压范围。

这些特性使得CMOS电路成为了现代集成电路设计的重要选择。

二、CMOS电路的关键参数1. 高电平（High Level，或简称"High"）和低电平（Low Level，或简称"Low"）电压：这两个参数定义了CMOS电路中表示逻辑状态的电压范围。

通常情况下，高电平电压应接近于供电电压（VDD），低电平电压应接近于地（GND）。

2. 阈值电压：阈值电压（Threshold Voltage）是指晶体管切换电流的参考电压。

对于nMOS晶体管，阈值电压为正值；对于pMOS晶体管，阈值电压为负值。

阈值电压决定了晶体管的导通和截止的条件。

3. 驱动能力：驱动能力（Drive Capability）是指CMOS电路对外部负载的驱动能力。

它通常由晶体管的截止电压和饱和电压确定。

高驱动能力可以保证信号在电路中的传输质量和速度。

4. 功耗：CMOS电路的功耗主要包括静态功耗和动态功耗。

静态功耗是指电路在静止状态下的功耗，主要由漏电流引起；动态功耗是指电路在切换状态时的功耗，主要由充电和放电电流引起。

降低功耗是CMOS电路设计的一个重要目标。

5. 速度：CMOS电路的速度取决于晶体管的开关速度和电路中的延迟。

晶体管的开关速度主要由其驱动能力和晶体管的尺寸确定；电路中的延迟主要由线路长度、传输门的个数等因素决定。

cmos电路和器件基本结构CMOS电路和器件基本结构一、引言CMOS（亦称为互补金属-氧化物-半导体）电路是一种常用的逻辑电路，它由NMOS（N型金属-氧化物-半导体）和PMOS（P型金属-氧化物-半导体）两种互补型的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）组成。

CMOS电路以其低功耗、高集成度和低电压操作等特点，在现代集成电路设计中得到广泛应用。

本文将介绍CMOS电路和器件的基本结构。

二、CMOS电路的基本结构1. NMOS器件NMOS器件由P型衬底上生长的N型沟道和两个掺入P型源极和漏极的P型扩散区组成。

沟道区域上方由一层薄的氧化硅（SiO2）作为绝缘层，上面再覆盖一层金属（通常为铝）作为电极。

当沟道区没有电压施加时，NMOS处于截止状态，导通状态需要在沟道区施加正电压。

2. PMOS器件PMOS器件与NMOS器件相反，由N型衬底上生长的P型沟道和两个掺入N型源极和漏极的N型扩散区组成。

沟道区域上方同样有一层氧化硅和金属电极。

当沟道区施加负电压时，PMOS处于导通状态，截止状态需要在沟道区施加正电压。

3. CMOS电路CMOS电路是通过将NMOS和PMOS器件相互串联或并联而构成的。

在CMOS电路中，NMOS器件的漏极与PMOS器件的源极相连，共同组成电路的输出端；NMOS器件的源极与PMOS器件的漏极相连，共同组成电路的输入端。

当输入信号施加到NMOS和PMOS器件上时，根据不同的输入信号电平，其中一个器件处于导通状态，另一个器件处于截止状态，从而实现电路的逻辑功能。

三、CMOS电路的工作原理CMOS电路的工作原理是基于MOSFET的三个重要特性：沟道截止、沟道饱和和门极电势控制。

当输入信号为低电平时，NMOS处于导通状态，PMOS处于截止状态，此时电路输出为高电平；当输入信号为高电平时，NMOS处于截止状态，PMOS处于导通状态，此时电路输出为低电平。

由于CMOS电路的输出仅在输入发生变化时才会改变，且输出信号的上升和下降均经过一个NMOS和一个PMOS器件，因此CMOS电路具有较低的功耗和较高的抗噪声能力。

未知驱动探索，专注成就专业 1 基于CMOS的三输入非一致电路 概述 电路设计中经常会遇到需要实现多输入功能的情况，而三输入非一致电路是其中一种常见的电路设计。CMOS（互补金属氧化物半导体）技术被广泛应用于各种数字电路设计中，因为它具有低功耗、高密度、高可靠性等优点。本文将详细介绍基于CMOS技术的三输入非一致电路的设计原理、工作原理、特点和应用。

设计原理 三输入非一致电路是一种多输入门电路，它可以接受三个输入信号并产生一个非一致输出信号。在CMOS技术中，使用NMOS（N沟道金属氧化物半导体）和PMOS（P沟道金属氧化物半导体）晶体管实现逻辑门功能。

CMOS三输入非一致电路的设计原理基于电流比较法。当三个输入信号中至少有一个为高电平（逻辑1）时，输出信号为低电平（逻辑0）。只有当所有三个输入信号均为低电平时，输出信号才为高电平。 未知驱动探索，专注成就专业

2 工作原理

CMOS三输入非一致电路的工作原理是由一组输入级、一个逻辑电路和一个输出级组成。 - 输入级：接收三个输入信号，并将其转化为高电平或低电平的信号输入给逻辑电路。 - 逻辑电路：通过三个输入信号的电流比较来确定输出信号的电平。 - 输出级：将逻辑电路的输出信号变换为高电平或低电平的结果输出。

CMOS电路中的NMOS和PMOS晶体管起到互补的作用。当输入信号为低电平时，NMOS导通，PMOS截止；当输入信号为高电平时，NMOS截止，PMOS导通。在CMOS三输入非一致电路中，如果至少有一个输入信号为高电平，则通过NMOS的电流流过某个分支，使得输出电平被拉低为低电平。只有当所有输入信号均为低电平时，输出电平才保持高电平。

特点 CMOS三输入非一致电路具有以下几个特点： 1. 多输入功能：能够接受三个输入信号，并产生一个非一致的输出信号。 2. 低功耗：CMOS电路由于使用的是互补的NMOS和PMOS晶体管，只有在切换时才会产生瞬态功耗，静态功耗几乎没有。 3. 高密度：CMOS电路中的晶体管布局紧密，能够在同一芯片上集成大量的功能。 4. 高可靠性：CMOS电路具有较高的抗未知驱动探索，专注成就专业 3 电磁干扰能力和抗射频干扰能力。 5. 快速响应：CMOS电路具有快速的切换速度和较低的延迟。

典型的CMOS与非门电路1. 引言CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）与非门电路是数字电路中常见的逻辑门电路之一。

它由两个互补型金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）组成，一个是P型MOSFET，另一个是N型MOSFET。

CMOS与非门电路具有低功耗、高噪声抑制能力和抗干扰能力强等优点，在现代集成电路中得到广泛应用。

本文将详细介绍典型的CMOS与非门电路的结构、工作原理以及应用领域，并通过图示和实例进行解释，希望能够帮助读者更好地理解和应用这一电路。

2. CMOS与非门电路结构典型的CMOS与非门电路由两个互补型金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）组成，其中一个为P型MOSFET，另一个为N型MOSFET。

这两个MOSFET分别被称为上下管。

P型MOSFET由P型半导体材料构成，其通道上有一层负责控制通道导通和截止的氧化物层。

N型MOSFET由N型半导体材料构成，其通道上同样有一层负责控制通道导通和截止的氧化物层。

两个MOSFET的源极分别连接到电源VDD和地GND，漏极则通过输出端口连接在一起。

控制信号分别通过两个MOSFET的栅极输入。

3. CMOS与非门电路工作原理CMOS与非门电路的工作原理可以分为两个阶段：导通阶段和截止阶段。

3.1 导通阶段在导通阶段，当输入信号为高电平时，即栅极输入为高电平时，P型MOSFET的栅极极性变为正向偏置，使得P型MOSFET导通。

N型MOSFET的栅极极性变为负向偏置，使得N型MOSFET截止。

这样，P型MOSFET将电源VDD与输出端口连接在一起，实现逻辑门输出为高电平。

3.2 截止阶段在截止阶段，当输入信号为低电平时，即栅极输入为低电平时，P型MOSFET的栅极极性变为负向偏置，使得P型MOSFET截止。

N型MOSFET的栅极极性变为正向偏置，使得N型MOSFET导通。

这样，N型MOSFET将输出端口与地GND连接在一起，实现逻辑门输出为低电平。

cmos电路和器件基本结构CMOS电路和器件基本结构CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）电路是一种广泛应用于数字集成电路中的技术。

CMOS电路由CMOS 器件构成，它是一种特殊的半导体器件。

本文将介绍CMOS电路和器件的基本结构。

一、CMOS电路的基本原理CMOS电路的基本原理是利用n型MOS（NMOS）和p型MOS （PMOS）两种互补型的场效应晶体管（FET）来实现电路的逻辑功能。

NMOS和PMOS的特性互补，通过它们的联合工作可以实现低功耗、高集成度和高噪声抑制的优点。

二、CMOS器件的基本结构CMOS器件由一对互补型的MOSFET组成，即NMOS和PMOS。

这两种器件的基本结构如下：1. NMOS结构NMOS器件由一个n型沟道和两个控制电极（栅极和源极）组成。

栅极用于控制沟道的导电性，源极和漏极用于连接电路。

当栅极施加高电压时，沟道会形成导电通道，电流可以从源极流向漏极；当栅极施加低电压时，导电通道关闭，电流无法流动。

2. PMOS结构PMOS器件由一个p型沟道和两个控制电极（栅极和源极）组成。

栅极用于控制沟道的导电性，源极和漏极用于连接电路。

与NMOS 相反，当栅极施加低电压时，沟道会形成导电通道，电流可以从源极流向漏极；当栅极施加高电压时，导电通道关闭，电流无法流动。

三、CMOS电路的工作原理CMOS电路的工作原理是利用两个互补型MOSFET的特性，通过不同的输入信号来控制输出信号。

当输入信号为高电平时，NMOS 导通，PMOS截止；当输入信号为低电平时，PMOS导通，NMOS 截止。

这样就实现了输入信号与输出信号之间的逻辑关系。

四、CMOS电路的优点CMOS电路具有以下几个优点：1. 低功耗：CMOS电路只在切换时才消耗电能，而静态时几乎不消耗电能，因此功耗较低。

2. 高集成度：CMOS电路中的晶体管可以非常小型化，因此可以实现高度集成的芯片设计。

CMOS电路混合信号设计在现代电子领域中，混合信号电路设计是一项重要而复杂的任务。

CMOS（互补金属-氧化物半导体）技术作为主要的集成电路制造技术，被广泛应用于混合信号电路设计中。

本文将探讨CMOS电路混合信号设计的关键方面以及相关的设计技巧。

一、CMOS电路及其特性CMOS电路是一种由N型和P型MOS（金属-氧化物-半导体）晶体管组成的电路。

它具有低功耗、高集成度和良好的抗干扰性等特点，因此在混合信号电路设计中得到了广泛应用。

CMOS电路的特性使得它适用于模拟和数字信号的处理，从而实现混合信号电路的设计。

与传统的数字电路相比，CMOS电路能够更好地适应模拟信号的处理需求。

二、混合信号电路设计的关键问题1. 模拟和数字信号的界面问题：混合信号电路需要能够同时处理模拟和数字信号，因此界面设计是一个关键问题。

模拟信号通常以连续时间和连续电压的形式存在，而数字信号则以离散的形式存在。

在界面设计中，需要合理设计模拟-数字转换电路、滤波器等模块，以确保信号的准确传递和处理。

2. 技术参数的优化问题：混合信号电路设计需要同时考虑模拟和数字电路的参数，包括增益、带宽、响应时间等。

在优化时，需要考虑电源噪声、布线阻抗等各种因素，以实现设计的性能和可靠性。

3. 噪声和抗干扰性问题：混合信号电路设计中噪声和抗干扰性是非常重要的方面。

由于模拟信号的连续性，容易受到各种噪声的干扰。

因此，噪声抑制和抗干扰设计是必不可少的。

4. 电源和地线的设计：在混合信号电路设计中，电源和地线是至关重要的。

电源应当保持稳定，地线应当被正确设计，以确保干扰和噪声的最小化。

三、CMOS混合信号电路设计技巧1. 采用合适的电源和地线布局：在混合信号电路设计中，电源和地线的布局是非常关键的。

电源的稳定性对整个电路的性能有很大的影响，因此需要格外注意。

同时，地线的设计应合理布局，以减少串扰和干扰。

2. 模拟-数字转换：混合信号电路需要将模拟信号转换为数字信号进行处理。

• 118•本文设计了一种应用于EEPROM的片内高压电荷泵电路。

该电路基于Dickson电荷泵结构，用二极管连接的nMOS管代替二极管，通过加入预充管并提高最高输出电压以减少电压上升时间，在3.3V电源电压下得到最高21V的输出电压。

该电路基于SMIC 0.18um 2P4M 工艺设计，由cadence软件仿真实现。

随着社会的进步，物联网的蓬勃发展，半导体存储技术迎来了黄金时期。

其中，EEPROM （电可擦可编程只读存储器）因其接口少、功耗低、存储可靠、价格低廉等优点，在非易失性半导体存储器件领域发挥着重要作用。

然而，EEPROM 进行擦写操作所需的电压在15V 以上，远高于芯片工作的电源电压，因此需要额外的片内升压电路来保证EEPROM 的正常工作。

电荷泵作为一种常用的升压电路，其基本原理是利用电荷在电容器上的积累效应产生高于电源电压或负电压的电路。

相较于传统开关电容式升压电路，电荷泵电路有着功耗低，面积小，易于集成等优点，因此普遍应用于串口通信，EEPROM ，动态随机读写等领域。

多数电荷泵结构都基于Dickson 电荷泵，传统Dickson 电荷泵使用二极管传导电荷，但是为了便于片内集成，目前主流Dickson 电荷泵都会使用栅极与漏极短接的nMOS 晶体管代替二极管。

但是随着电压的升高，体效应会导致MOS 管的阈值电压的升高，电荷泵的输出电压会因此降低。

通过增加电荷泵级数得到目标电压，会导致电荷泵效率降低，升压速度变慢。

针对以上问题，本文设计了一种改进型Dickson 电荷泵，以保证电荷泵在较短的升压时间和较高的效率下得到高压。

1 传统Dickson电荷泵工作原理传统Dickson 电荷泵结构如图1所示，其中C1,C2～Cn 为充电电容，CL 为负载电容；CLK 与CLK_是不交叠且反向的时钟信号，幅值一般为电源电压；M1,M2～Mn 是二极管连接的nMOS 管，衬底均接地。

电路启动后，电源Vin 通过M1对C1充电，直到C1两端电压为VDD-Vth 后停止充电，Vth 为nMOS 管阈值电压（忽略体效应）。

一、TTL电平TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（Transistor-Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

TTL 电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外 TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL 接口的操作恰能满足这个要求。

TTL型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过10英尺的距离就不适合了。

这是由于可靠性和成本两面的原因。

因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。

TTL输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。

在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。

最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。

TTL电路是电流控制器件，TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。

输出 L： <0.8V ； H：>2.4V。

输入 L： <1.2V ； H：>2.0VTTL器件输出低电平要小于0.8V，高电平要大于2.4V。

输入，低于1.2V就认为是0，高于2.0就认为是1。

二、CMOS电平输出 L： <0.1*Vcc ； H：>0.9*Vcc。

输入 L： <0.3*Vcc ； H：>0.7*Vcc.由于CMOS电源采用12V，则输入低于3.6V为低电平，噪声容限为1.8V，高于3.5V为高电平，噪声容限高为1.8V。

比TTL有更高的噪声容限。

电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。

我们形象地把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。

从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进一个大水箱[8]。

电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容，而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器（直流变换器）。

它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。

其内部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。

电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。

在第一个阶段，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容C1充电到输入电压：
在第二阶段，开关S3和S4关闭，而S1和S2打开。

因为电容C1两端的电压降不能立即改变，输出电压跳变为输入电压的两倍。

电荷泵解决方案在应用中也有缺点，其主要缺点是：
只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的转换比率最多只能达到输入电压的2倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的2倍。

典型的电平转换电路MAXx2xx系列芯片因单电源+5V供电，均有电荷泵电平转换器产生±10V电源，以供RS232电平所需。